锂电池组均衡充电电源设计与实现
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摘 要：我国的科学技术不断发展，已经有越来越多的新型材料被研发出来，让锂电池的性能得到了极大的提升，在更多的领域中得到了应用。但是，在使用单节锂电池时，其电压容量的限制较大，所以，在大功率场景中会使用锂电池组，而长时间的使用中，锂电池组将会出现充电电压不一致的情况，因此，该文主要探究在锂电池组中均衡充电电源的设计方案。
关键词：锂电池组 均衡充电 电源设计
中图分类号：TN912 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）06（a）-0062-02
锂电池技术的飞速发展让锂电池组在各个行业中都有广泛的应用，而充锂电池组电压的不均衡现象，限制了其进一步的发展，特别是在大容器的锂电池组中，价格高昂，若是不能有效解决锂电池组的电压问题，将会对相关企业造成严重的经济损失，需要相关技术人员加强对锂电池组均衡充电电源的设计研发，提高锂电池组的应用效率。
1 锂电池组的概念
在目前的锂电池应用中，其普遍具有高比能量、高标称电压、使用寿命长等优势。由于在单节的锂电池其容量电压较小，实际的应用过程中，往往是将锂电池串联起来形成锂电池组进行应用，但是在锂电池制作中，制备工艺并不相同，导致在实际的锂电池组应用过程中不仅没能延续其使用寿命长的优点，反而随着长时间的使用，展现出了单体电池的不一致性，并且其差异在使用的过程中逐渐增大，让电池的老化速度加快，甚至电池会出现损坏的现象[1]。
在目前的锂电池组使用过程中，为了能够有效提高锂电池组的使用性能，通常使用分流损耗以及电量转移的方法进行均衡。这两种均衡方法中，分流损耗电路具有结构简单的优势，但是能量浪费过大，而电量转移的均衡方式，其主要是将单节电池高电量电池中的电量通过电感、变压器等均衡电路，从而转移到低电量的电池中，具有较高的能量利用率的优点，但是结构较为复杂。并且，在以往的均衡电路中，大多数是将电池高电量向低电量转移，从而实现电量均衡，虽然也有一定的效果，但是充电效率降低，因此，该文主要根据PID控制进行锂电池组的均衡。
2 锂电池均衡充电电路
在但均衡器的锂电池中，若是想要电池能量能够均衡控制，可以用一个均衡器将两个锂电池连接在一起，从而与PID结合进行能量的均衡优化。在单均衡器锂电池中，有L1、L2两组存在耦合性的电感，其回路电池是C1，二极管模块是D1与D2，MOSFET模块是Q1与Q2，主要是在锂电池充电时充当控制开关从而对充电过程进行均衡。串联电池能够在充电过程中实现利用电容进行不平衡的能量转移，在控制过程中可以使用MOSFET进行控制开关的开启以及关闭[2]。
在具体的设定中，可以进行假设，如TS为锂电池控制周期，回路占空比是D，初始电压值为Vg1+Vg2，若是Vg1>Vg2，其在DTS时期将Q2开启，电容中存在的能量将会通过电流流经L1转移到Vg1中，L1也能存储能量，Vg2的能量也会传输到L2之中，控制电感的过程中，始终都在进行周期能量存储，并随着实践逐渐增加能量的存储量。而在（1-D）的周期中，Q2断开，榆次同时打开D2，在Vg2以及L2中的能量也会以电流的方式转移到电容之中，Vg1锂电池就会让L1为其充电，所以，在进行控制的过程中，将会出现L1与L2的电流逐渐减少的情况。若是Vg1<Vg2，其控制流程类似，不过开关的控制变成了Q1。在整个电路流程中，周期会受到电流的影响，控制回路开关的周期就能达成均衡电路的效果。
3 优化PID锂电池均衡充电控制
3.1 PID控制流程
在PID控制中，主要是利用根据的控制形式，参数的结果将会对整个控制效果造成影响：控制中的无偏控制、过分震荡的调节、误差调节。
在PID控制器中，有控制因子的存在，能够影响控制效果，在一般的控制之中，PID控制器就能实现对其的控制，但是锂电池组的串联充电控制就不能通过PID有效控制，从而不能得到较好的控制参数。因此需要使用IWD算法进行优化，从而将PID控制效果有效优化[3]。
3.2 PID控制优化
在常用的控制优化中，其指标主要是积分平方误差（ISE）、时间绝对误差（ITAE）以及积分绝对值误差（IAE）。在这3种指标中，积分平方误差以及积分绝对值误差对于时间不能有效約束，而时间绝对误差充分考虑了时间的存在，能够有效解决问题。
4 次优解集扰动IWD的PID控制
4.1 次优解集扰动
在标准的IWD算法之中，只更新最优解水滴个体集的泥土量，具有更新对象单调的特点，不能有效保持种群的多样性。而在此次设计中，使用次优解集扰动的方式主要有两种，一是对优化对象进行解集执行邻域的拓展，从而获得最优解;二是使用混沌扰动的方式解决参数优化早熟的问题，选择优秀的水滴个体进行同次参数水滴的更新。
4.2 PID优化流程
在基于IWD的PID整定优化主要流程步骤如下：首先，就是将WID 的参数进行初始化，设定好全局最佳优化目标、河道间泥土的初始数值、迭代数等，将T与t值进行对比，若是T≥t，那么将整个水滴算法跳跃到最后的IWD步骤。进行水滴速度初始值的设定，设置最佳水滴个体实验值、水滴的个体数量，将参数值进行对比，若是符合条件，则根据实际情况将算法步骤跳跃，判定集合是否为空集，利用取值进行空间数值的参数进化条件的限制，构造可行点集、选取水滴流经位置、更新水滴流速、泥土量变化等，计算最佳的适应值，若是适应值并没有超过空集，则使用混沌扰动法保持多样性，更新泥土量，设定t+1=t，将最优集输出。
4.3 实验结果
可以在MATLAB平台中进行模块的建立，充当串联电池的均衡充电模型，选择已有的函数模块为电池模型。电容设定为500?F，电感为100?F，在开关的MOSFET模块中将二极管的参数设为默认值。在PWM封装模块中，依据电流的逻辑进行数值计算，从而得到不同的方波，从而有效进行开关的控制。通过对比算法进行非线性PID电池的均衡充电算法。选取3种算法进行对比，其电池的模糊均衡值大约在6.4s左右，非线性PID控制电池的均衡充电法电压控制在6.0s左右，该文使用的算法能够将电压控制在4.1s，通过这样的对比能够了解到这样的充电均衡方式具有更快的控制特点，并且使用此种控制方法，其电压拟合效果也要优于原有的对比算法，有效提高了控制的精准性。另外，使用锂电池组的充电曲也对电流控制更加了解，在初始节点时，电流具有较大的数值，但是随着时间的延长，均衡控制起到了良好的效果，让电路中段电流无限趋近0。有效将PID控制精度不高容易受到震荡影响的问题解决，减少了能量的损耗，均衡充电的控制更加理想，提升了锂电池组的使用性能。
5 结语
总之，锂电池的性能上具有较大的优势，在电动工具以及电子产品等领域中具有广泛的应用价值，具有强大的发展前景，随着国家以及企业的推动，锂电池技术已经得到了进一步的发展，但是在大功率的锂电池组的使用中，其理论寿命能够使用上千次，但在实际的使用中并不能达到理想状态，需要解决其存在的不一致问题，才能推动锂电池应用的进一步发展。
参考文献
[1] 张瑞，樊波，薛伦生，等.串联锂离子电池组均衡充电方法研究[J].测控技术，2017（3）：151-154.
[2] 梁波，齐江江，李玉忍，等.锂电池组均衡充放电控制策略研究[J].西北工业大学学报，2017，35（4）：704-710.
[3] 姚金.基于次优解集扰动IWD的PID锂电池均衡充电控制[J].电子技术应用，2017，43（4）：153-156.
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